基于不同靜態(tài)性能模型的熱成像系統(tǒng)視距估算

1、第16卷第8期2004年8月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.8Aug.,2004文章編號(hào):100124322(2004)0820967205基于不同靜態(tài)性能模型的熱成像系統(tǒng)視距估算卓紅艷,張蓉,陳濤,宋影松(中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,四川綿陽621900)摘要:基于NVL75,FLIR92和CFLIR國(guó)內(nèi)外3種不同的熱成像系統(tǒng)靜態(tài)性能模型,采用靜態(tài)性能參量MRTD建立對(duì)面目標(biāo)的視距估算方程,并通過CFLIR40軟件計(jì)算,比較不同模型下視距估算結(jié)果,得出:凝視型熱成像系統(tǒng)在CFLIR模型下計(jì)算得到的MRTD值比FLIR92模

2、型計(jì)算得到的MRTD值更接近實(shí)際測(cè)量值;在基本參數(shù)相同的條件下,利用MRTD估算的凝視系統(tǒng)的視距遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于掃描系統(tǒng)的視距;對(duì)凝視型系統(tǒng),從視距估算的結(jié)果來看,CFLIR模型略優(yōu)于FLIR92模型。關(guān)鍵詞:靜態(tài)性能模型;熱成像系統(tǒng);最小可分辨溫差;視距中圖分類號(hào):TN216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A熱成像系統(tǒng)靜態(tài)性能模型是熱成像技術(shù)的重要環(huán)節(jié),常被用作系統(tǒng)評(píng)價(jià)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)、系統(tǒng)性能指標(biāo)研究等,合理地選擇并建立性能模型是十分重要的。不同的靜態(tài)性能模型將直接影響系統(tǒng)視距估算的結(jié)果。準(zhǔn)確地進(jìn)行視距估算是一項(xiàng)很困難的工作,涉及的因素很多,如目標(biāo)特征、大氣條件、系統(tǒng)參數(shù)以及肉眼或顯示設(shè)備參數(shù)等,其關(guān)鍵是建立

3、合適的估算模型,這個(gè)模型應(yīng)將上述因素有機(jī)地包容。國(guó)際上,從20世紀(jì)70年代就開始對(duì)熱成像系統(tǒng)性能模型進(jìn)行較為系統(tǒng)地研究1。隨著熱成像系統(tǒng)由第一代光機(jī)掃描向第二代焦平面陣列技術(shù)發(fā)展,熱成像靜態(tài)性能模型也由美國(guó)的NVL75模型改進(jìn)完善為FLIR92模型2,并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了NVTherm和TRM33,4等改進(jìn)模型。國(guó)內(nèi)也建立了CFLIR模型,并開發(fā)了相應(yīng)的熱成像靜態(tài)性能軟件包。基于不同的靜態(tài)性能模型,預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)熱成像系統(tǒng)的性能指標(biāo)也不相同,用于靜態(tài)目標(biāo)的視距估算也有所差別。1不同的熱成像系統(tǒng)靜態(tài)性能模型熱成像系統(tǒng)性能模型主要包括靜態(tài)性能模型和動(dòng)態(tài)性能模型。靜態(tài)模型所描述的熱成像系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)目標(biāo)的識(shí)別

4、、跟蹤是由肉眼來完成的;而動(dòng)態(tài)性能模型所描述的熱成像系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的識(shí)別跟蹤是由機(jī)器視覺來自動(dòng)完成的。靜態(tài)性能模型主要包括最小可分辨溫差(簡(jiǎn)稱MRTD)、最小可探測(cè)溫差(MDTD)、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、噪聲等效溫差(NETD)等參量的計(jì)算模型。國(guó)外的NVL75模型、FLIR92模型以及國(guó)內(nèi)的CFLIR模型在總體方案上是相似的,只是在應(yīng)用場(chǎng)合和一些細(xì)節(jié)的認(rèn)識(shí)處理方法上有所區(qū)別。目前公認(rèn)的對(duì)擴(kuò)展源目標(biāo)的視距估算方法是利用表征系統(tǒng)綜合靜態(tài)性能的參量MRTD來計(jì)算,計(jì)算MRTD的一般公式為5T2Tmr(f)=()1/2(1)thfHs(f)TeFfftd414式中:f角為空間頻率;Tmr表示最小可

5、分辨溫差;Tne表示噪聲等效溫差;Hs(f)是系統(tǒng)總的傳遞函數(shù);Te為肉眼積分時(shí)間;th為閾值顯示信噪比;,為瞬時(shí)視場(chǎng)的平面角;td是掃描駐留時(shí)間;Ff是幀頻。NVL75模型主要針對(duì)于第一代掃描系統(tǒng)而建立,FLIR92模型對(duì)于第一、二代掃描型和凝視型熱成像系統(tǒng)是有效的,CFLIR模型則是針對(duì)凝視型熱成像系統(tǒng)而建立的。在NVL75模型中,對(duì)MRTD的計(jì)算完全是在實(shí)驗(yàn)室的條件下進(jìn)行的,在此過程中進(jìn)行了理想化處理:一是將目標(biāo)和背景都看作是黑體,但實(shí)際目標(biāo)并不是黑體,而是灰體;二是只考慮了隨機(jī)噪聲,沒有包括采樣效應(yīng),因而對(duì)低頻或高頻的目標(biāo)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)。在FLIR92模型中考慮了采樣效應(yīng)和虛警效應(yīng)以及對(duì)隨機(jī)

6、噪聲的預(yù)測(cè),建立了3維噪聲模型,提出了3維噪聲分系統(tǒng)的定義及其隱含值、噪聲校正函數(shù)等概念,具體的計(jì)算公式為5收稿日期:2003205226;修訂日期:2004202219基金項(xiàng)目:國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目資助課題),女,碩士,高級(jí)工程師,主要從事激光技術(shù)研究;綿陽91921011信箱。作者簡(jiǎn)介:卓紅艷(1972© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.968強(qiáng)激光與粒子束1/2第16卷Tmr(f)=(2)()MTFz(f)EtEh(f)Ev(f)(2)式中:下標(biāo)z表示垂直或水平方向;tv

7、h是隨機(jī)時(shí)空噪聲;kz(f)是整個(gè)系統(tǒng)的MTF;Et,Eh(f)和Ev(f)表示時(shí)間的、水平空間的、垂直空間的肉眼/大腦積分。從(2)式中可以看出,MRTD的計(jì)算是在水平方向和垂直方向上進(jìn)行幾何平均,得到2維MRTD,把肉眼/大腦的響應(yīng)模擬為同步積分模型。采樣效應(yīng)主要考慮了采樣過程中在Nyquist限內(nèi)的MRTD的計(jì)算和MTF相位調(diào)整的情況。應(yīng)用FLIR92模型計(jì)算MRTD存在低頻偏低、高頻偏高的問題,其原因是在計(jì)算NETD時(shí)采用的系統(tǒng)對(duì)比傳遞函數(shù)R(f)近似為三角波響應(yīng),根據(jù)R(f)與MTF的關(guān)系,近似取為R(f)=(4/)MTFz(f),這種近似Tmr(f)變小。FLIR92模型忽略了MT

8、Fz(f)后面的有限項(xiàng),使得(2)式中的處于分母位置的MTFz(f)變大,計(jì)算的是Nyquist頻率以內(nèi)的MRTD和MTF,而高于Nyquist頻率的MRTD和MTF被忽略,并被疊加進(jìn)入低頻部分,這樣就會(huì)出現(xiàn)低頻和高頻計(jì)算不充分的現(xiàn)象。CFLIR模型在FLIR92模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的MRTD模型將R(f)取為方波響應(yīng),計(jì)算了MTFz(f)后面的有限項(xiàng),并建立了新的肉眼模型。CFLIR模型中對(duì)MRTD的計(jì)算采用工程積分模型,表達(dá)式為6Tmr(f)=Tnethtefp81/2MTFs(f)MTFeye(f)1/2(3)式中:為垂直瞬時(shí)視場(chǎng);為條帶長(zhǎng)寬比;te為肉眼積分時(shí)間;fp為幀頻;

9、MTFs(f)和MTFeye(f)分別為熱成像系統(tǒng)和肉眼視覺的傳遞函數(shù),其曲線可由文獻(xiàn)5提供的基本的測(cè)試方法和數(shù)據(jù)確定;Q(f)為噪聲等效帶寬轉(zhuǎn)換函數(shù)。2觀察等級(jí)和探測(cè)概率的確定觀察等級(jí)是將系統(tǒng)性能與肉眼視覺結(jié)合的一種視覺能力劃分方法。目前公認(rèn)的是Johnson根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出的Johnson準(zhǔn)則,它用目標(biāo)等效條帶圖案可分辨力來確定成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力。目標(biāo)等效條帶圖案是一組黑白間隔相等的條帶狀圖案,條帶的寬w為目標(biāo)最小的投影尺寸,L為垂直于w的目標(biāo)橫跨尺寸。目標(biāo)等效條帶圖案可分辨力定義為包含在目標(biāo)最小的投影尺寸中的可分辨的條帶數(shù),單位為“周/臨界尺寸”。根據(jù)Johnson準(zhǔn)則,將觀察的等級(jí)分

10、為探測(cè)、定向、識(shí)別和辨別4個(gè)等級(jí),小于50%的探測(cè)概率的目標(biāo)等效條帶數(shù)Ne與觀察等級(jí)的關(guān)系見表1。表1觀察等級(jí)和等效條帶Table1DetectinglevelandequivalentstripesgradefindclassifydiscriminateseeclearlyFig.1EquivalentstripesofobjectN01.0±0.251.4±0.354.0±圖1目標(biāo)等效條帶J.A.Rathes研究了探測(cè)概率P與條帶數(shù)N0的關(guān)系8,表達(dá)式為P=N-N-exp(-z2)dz(4)式中為隨觀察等級(jí)而定的系數(shù)。3對(duì)面目標(biāo)的視距估算方

11、程對(duì)面目標(biāo)的視距估算方程采用MRTD法。MRTD是綜合評(píng)價(jià)熱成像系統(tǒng)溫度分辨力和空間分辨力的重要參數(shù)。NVL75,FLIR92,CFLIR中靜態(tài)性能模型正是以MRTD數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的,并考慮了各種因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響,利用MRTD曲線和Johnson準(zhǔn)則,預(yù)測(cè)不同分辨等級(jí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)視距和探測(cè)概率。面目標(biāo)視距估算的基本思路是:考慮角空間頻率為f的目標(biāo)與背景的實(shí)際等效溫差在經(jīng)過大氣衰減,到達(dá)成像系統(tǒng)時(shí)仍大于或等于系統(tǒng)對(duì)應(yīng)該頻率的最小可分辨溫差,同時(shí)目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的張角應(yīng)大于或等于觀察等級(jí)所需要的最小視角,表達(dá)式為7© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical D

12、isc Co., Ltd. All rights reserved.第8期卓紅艷等:基于不同靜態(tài)性能模型的熱成像系統(tǒng)視距估算969T=T(R)Tmr(f)=1/2fH/NR(5)式中:T是目標(biāo)與背景的實(shí)際溫差;為這段大氣路徑對(duì)的衰減系數(shù);T為經(jīng)過大氣衰減后到達(dá)探測(cè)器的溫差;H為目標(biāo)的臨界尺寸;N為按Johnson原則選取的等效條帶數(shù);R為目標(biāo)與探測(cè)系統(tǒng)之間的距離。滿足上述要求的Rmax就是所求的視距,給定作用距離的初值,通過迭代的方法求解。Rmax的迭代表達(dá)式為Rmax=2(H/N)fmax,其中fmax為滿足(5)式的最高頻率?？紤]到實(shí)驗(yàn)室與外場(chǎng)的差異,在應(yīng)用上述公式時(shí)還必須考慮到目標(biāo)形狀、

13、目標(biāo)和背景的輻射特性、實(shí)際背景溫度、大溫差、大氣傳輸衰減等因素的影響,從而對(duì)其進(jìn)行必要的修正,以適應(yīng)外場(chǎng)的參數(shù)的變化。例如,在實(shí)際的目標(biāo)探測(cè)中,大氣衰減是影響視距的重要因素之一,在Rmax的大氣衰減修正時(shí),設(shè)黑體目標(biāo)與背景之間的零視距表現(xiàn)溫差為Ta,在大氣中傳輸l距離到達(dá)熱成像系統(tǒng)時(shí),目標(biāo)與背景之間的等效溫差T(l)可近似表示為8T(l)=Tae-l=Taa(l)(6)式中:,a分別是在熱成像系統(tǒng)的工作波段內(nèi),沿目標(biāo)方向在大氣中傳輸l距離的平均消光系數(shù)和平均大氣透射率。對(duì)大氣傳輸特性的計(jì)算常應(yīng)用美國(guó)的LOWTRAN或HITRAN7,在CFLIR40軟件中以LOW2TRAN6為基礎(chǔ)通過單獨(dú)的大氣

14、傳輸模塊來計(jì)算。4不同靜態(tài)性能模型下視距估算結(jié)果采用CFLIR40軟件對(duì)3種模型下的視距進(jìn)行估算,以HgCdTe(320×240)碲焦平面陣列中波熱成像系統(tǒng)m×m,像素中心距為30m,響應(yīng)波段為3為例,采用司特林制冷器,探測(cè)器具體參數(shù)如下:像素尺寸為2525m,視場(chǎng)為11°5×8°,NETD值為27mK,焦距為50mm,F數(shù)為4,fp=60Hz,th=2.8。目標(biāo)選定為一輛靜止汽車,寬4.1m,高1.5m,經(jīng)紅外探測(cè)器測(cè)定目標(biāo)溫度為18,背景溫度為12,假定目標(biāo)輻射率、背景輻射率為1。大氣計(jì)算條件是在中緯度冬季條件,鄉(xiāng)村衰減,能見度5km,水平

15、路徑觀察,利用LOWTRAN6對(duì)大氣傳輸衰減特性進(jìn)行計(jì)算。在上述參數(shù)條件下,得到根據(jù)不同模型估算的MRTD,見圖2。對(duì)NVL模型采用光機(jī)掃描型熱成像系統(tǒng),響應(yīng)波段、焦距、視場(chǎng)等基本參數(shù)與焦平面陣列熱成像系統(tǒng)參數(shù)相同。估算出的MRTD曲線見圖3。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量MRTD采用的是直接觀察熱成像系統(tǒng)顯示器上的靶標(biāo)像的主觀測(cè)量法,測(cè)試結(jié)果見圖2中的曲線1。從圖2中可以看出,用FLIR92和CFLIR兩種模型計(jì)算出來的MRTD的值與實(shí)驗(yàn)室直接對(duì)中波HgCdTe熱成像系統(tǒng)實(shí)際標(biāo)定的MRTD的值相比較,在曲線趨勢(shì)上基本是一致的,并且CFLIR模型計(jì)算出來的MRTD值更接近實(shí)測(cè)的值。因?yàn)镹VL75模型僅適用于掃描系

16、統(tǒng),所以單獨(dú)計(jì)算,從圖3中看出,在曲線的走勢(shì)上掃描系統(tǒng)與凝視型系統(tǒng)相近。在計(jì)算出MRTD值的基礎(chǔ)上,對(duì)面目標(biāo)進(jìn)行視距估算。在3種模型條件下對(duì)發(fā)現(xiàn)、定向、識(shí)別、認(rèn)清4個(gè)觀察等級(jí)、探測(cè)概率從0.1到1.0依次估算熱成像系統(tǒng)面目標(biāo)的視距(表中只列舉了發(fā)現(xiàn)和認(rèn)清等級(jí)的視距估算結(jié)果),并在大氣條件相同以及焦距、探測(cè)波段、視場(chǎng)等系統(tǒng)基本參數(shù)相同的條件下,對(duì)光機(jī)掃描型系統(tǒng)和HgCdTe焦平面凝視型系統(tǒng)的擴(kuò)展原目標(biāo)視距進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果見表24。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.970強(qiáng)激光

17、與粒子束第16卷表2NVL75模型下面擴(kuò)展源目標(biāo)視距估算結(jié)果Table2ResultofvisualrangepredictionforextendsourcetargetinNVL75modelxdirectionvisualrangerecognitionprobability/mfindrange/mseeclearlyrange/mrecognitionprobability/mfindrange/mseeclearlyrange/m0.1034376130.1013942290.3027984880.3011621880.5023434060.5010151630.602141370

18、0.609801520.7020163470.709011440.8018933240.808511350.9017532980.907921251.0013772291.0063098ydirectionvisualrange表3FLIR92模型下面擴(kuò)展源目標(biāo)視距估算結(jié)果Table3ResultofvisualrangepredictionforextendsourcetargetinFLIR92modelxdirectionvisualrangerecognitionprobability/mfindrange/mseeclearlyrange/mrecognitionprobabilit

19、y/mfindrange/mseeclearlyrange/m0.10897317400.1054149340.30740613970.3045197630.50632211770.5039416610.60583610810.6036866170.70552810160.7035015830.8052239520.8033135490.9048718790.9030905081.0039066831.002474399ydirectionvisualrange表4CFLIR模型下面擴(kuò)展源目標(biāo)視距估算結(jié)果Table4Resultofvisualrangepredictionforextends

20、ourcetargetinCFLIRmodelxdirectionvisualrangerecognitionprobability/mfindrange/mseeclearlyrange/mrecognitionprobability/mfindrange/mseeclearlyrange/m0.10903318780.10590710250.30743614880.3042908390.50624212260.5042647270.60570711130.6039706770.70539210420.7037666390.8050889740.8035576000.9047408960.9

21、033165561.0037886901.002652435ydirectionvisualrange5結(jié)論從上述計(jì)算結(jié)果可以得到如下結(jié)論:從MRTD的計(jì)算結(jié)果來看,凝視型熱成像系統(tǒng)在CFLIR模型下計(jì)算得到的MRTD值比FLIR92模型計(jì)算得到的MRTD值更接近實(shí)際測(cè)量值,這是因?yàn)樵贑FLIR模型中對(duì)R(f)和肉眼模型采用了更為充分的處理方法。在基本參數(shù)相同的條件下,利用MRTD來估算的凝視系統(tǒng)的視距遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于掃描系統(tǒng)的視距。與光機(jī)掃描型系統(tǒng)相比,HgCdTe凝視型焦平面熱成像系統(tǒng)具有復(fù)雜信號(hào)處理功能的超大規(guī)模集成的讀出電路,熱成像畫質(zhì)達(dá)到高清晰度電視圖像的水平。對(duì)凝視型系統(tǒng),從視距估算的結(jié)果

22、來看,CFLIR模型略優(yōu)于FLIR92模型,這是因?yàn)閷?duì)MRTD計(jì)算的差異以及在視距估算中考慮的修正因素不同而產(chǎn)生的。在本文中,視距計(jì)算所依據(jù)的熱成像系統(tǒng)性能參數(shù)MRTD是理論模擬和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的結(jié)果,它基本能反映實(shí)際系統(tǒng)的特性,但在具體應(yīng)用中會(huì)與系統(tǒng)本身性能有所偏差。作為一種考慮了有限項(xiàng)修正因素的較理想化的研究方法,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,將得到不斷的修正和完善。致謝感謝北京理工大學(xué)金偉其教授、仇谷峰博士在工作過程中的有益討論。參考文獻(xiàn):1DriggersRG,VollmerhausenR,EdwardsT.Thetargetidentificationperformanceofinfraredim

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